Ленивкин В.А., Евченко В.М., Стрижаков Б.Л. 

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Электротехнологические процессы и оборудование»

 

ПЕЧНОЙ НАГРЕВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ

 

Ростов-на-Дону 2007

 

Методические указания содержат сведения о механизме печного нагрева твердых тел и жидкостей в технологических целях в устройствах с нагревом сопротивлением. Приведены общие сведения и необходимые закономерности нагрева. Описана схема измерения температуры и порядок лабораторной работы.

Предназначены для студентов специальностей 150202 всех форм обучения.

 

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучение основных принципов и закономерностей печного нагрева конструкционных материалов в технологических процессах машиностроения.

 

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

В машиностроении тепловыми эффектами сопровождаются все без исключения технологические процессы обработки материалов. В общем, эти процессы можно разделить на две большие группы:

- тепловое воздействие является основным в технологической операции;

- под действием технологической операции проявляется тепловой эффект.

Очевидно, что для достижения заданных результатов технологического процесса необходимо выдержать в некоторых пределах тепловой режим. В одних случаях это достигается благодаря введению извне воздействий обеспечивающих температуру выше окружающей среды, в других случаях из зоны обработки различными способами отводят, излишнюю теплоту.

Для группы технологических процессов, в которых тепловое воздействие является одной из основных операций, учитывают три основных вида теплопередачи – теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплота в объем детали вводится через ее поверхность следующими спосабами:

контактом с теплоносителем (твердое тело, жидкость, газ);

воздействием электромагнитного излучения; (ТВЧ, CBЧ);

квантово-механическим – воздействием ультрафиолетового, инфракрасного излучения (видимого и невидимого диапазонов), электронным лучом;

механическим воздействием (ультразвуковыми колебаниями, электронным и/или ионным потоками).

Независимо от того, каким образом вводится энергия в вещество, температура его изменяется. Теоретическое обоснование понятия «температура», одинаково достоверно описывающее процессы в веществе при разных состояниях вещества и трансформации его из состояния в состояние, основано на атомистических представлениях строения, вещества и аналитических методах математической статистики. При этом постулируется следующее утверждение: состояние любого убывающего малого объема вещества определяется его энергией. Состояние же подчинено вероятностным законам и доля времени проводимого в некотором состоянии, и является вероятностью состояния.

Для определения конкретного вида взаимосвязи между вероятностью состояния и энергией мысленно разобьем систему (исследуемый объем вещества) на две подсистемы. Очевидно, что вероятность состояния исходной системы равна произведению вероятностей состояний ее подсистем, а энергия исходной системы ровна сумме энергий подсистем:

 

W = W₁ W₂;          F = F₁ F₂                        (1)

 

Взаимосвязь, отвечающая условию (1), между вероятностью W и энергией Е может быть лишь экспоненциальной:

W = k ехр(–aЕ) <=> Е = lnW,

где k и a – коэффициенты пропорциональности.

В коэффициенте a должно заключаться определение температуры поскольку он одинаков для всех частей системы находящейся в равновесии. Абсолютной термодинамической температурой называют величину Т = 1/ka), где k = 1,38×10^–23, Дж/К – постоянная Больцмана.

В общем случае, энергию, заключенную в объеме вещества можно отождествлять с кинетической энергией частиц, тогда в соответствии с классической механикой:

 

F = mv²/2 = 3,2 кТ                   (2)

 

Очевидно, что энергия, запасенная веществом в виде кинетической энергии ею частиц может быть представлена суммой трех составляющих движения частиц: поступательной, колебательной и вращательной. Для газообразного состояния преимущественной является поступательная составляющая и на каждую из трех координат пространства приходится энергия Е_пост = 1/2(kT) на каждую частицу. Для вещества в твердом состоянии преимущественным является колебательное движение частиц и на каждую из трех направлений приходится энергия Е_кол = kТ. Таким образом, для идеального газа средняя энергия частиц E_газ = 3/2(kT), а для идеализированного твердого вещества Е_тв = 3kТ из которых 3/2kТ «уходит» в потенциальную энергию.

Температура – один из основных параметров состояния, характеризующий тепловое состояние системы. Измерение температуры можно производить только косвенными методами, основываясь на зависимости от температуры таких физических параметров, которые поддаются непосредственному измерению. В качестве исходных значений при построении температурных шкал и единицы измерения температуры (градуса), применяются температуры перехода химически чистых веществ из одного состояния (агрегатного) в другое, например, температура давления льда принимается за 0 °С при нормальном атмосферном давлении.

 

Шкала Цельсия (стоградусная шкала)       Т₀ = 0 °С;             Т_к = 100 °С.

Шкала Фаренгейта                                      Т₀ = 32 °Г;            Т_к = 212 °Г.

Шкала Кельвина                                         Т₀ 273,15 °К;        Т_к = 73,15 К.

 

В технологии машиностроения широко используется возможность изменения свойств пол действием повышенной температуры. Так, например, термическая обработка металлов проводится для улучшения структуры и прочностных характеристик, для снижения остаточных напряжений и удаления диффузионного водорода.

Режимом термической обработки называется контролируемое изменение во времени температуры обрабатываемого материала.

 

2. 1. Промышленные печи

 

Печь – устройство, в которой за счет выделяющейся теплоты производится технологическая операция термообработки материалов. По технологическому назначению печи разделяются на:

·        сушильные (например, для сушки древесины);

·        нагревательные (для закалки, отжига, отпуска и др.).

·        обжиговые (для обжига кирпича, керамики, для эмалирования);

·        плавильные (для расплавления металлов, стекла);

·        перегонные (коксование угля).

По конструктивным признакам разнообразие печей можно свести к следующим типам: муфельные, башенные, вращающиеся, колпаковые, кольцевые, конвейерные.

 

2.2. Контроль температурного режима термической обработки

 

Наиболее распространенным прибором для контроля температуры является термоэлектрический преобразователь, основанный на физическом эффекте возникновения электродвижущей силы в контакте двух разнородных проводнике под  действием перепада температур в месте контакта и окружающей  среды. Датчиком температуры служит термопара: элемент из двух разнородных, как правило, термостойких, проводников с общим спаем. Термопреобразователь рис.1 включает: термопару, термоэлектродные удлиняющие провода, соединительные провода, измерительный прибор (милливольтметр). Рабочий спай (горячий) термопары (АБ) располагается в месте измерения температуры Т_р. К внешним выводам термопары А и Б подсоединены термоэлектродные провода А₁ и Б₂. Места их соединений находятся при температуре Т₁. Т₀ – температура окружающей среды (холодный спай) в месте соединения удлиняющих проводов с клеммами прибора. Положительным термоэлектродом считается тот, по которому течет ток от рабочего конца к свободному.

 

 

Рис.1. Принципиальная схема соединений термоэлектрического комплекта: ИП – измерительный прибор, АБ – термопара, А₁Б₁ – термоэлектродные удлиняющие провода

 

Термоэлектроды изолированы друг от друга керамической арматурой на длине 250…300 мм, начиная от места горячего спая, остальная часть обычно изолируется пластиковой трубкой.

Величина, развиваемая термо-ЭДС, зависит от температуры горячего спая, температуры холодного спая и материала электродов. Материалы для термопары стандартизованы, а характеристики термопар задаются таблично или графически.

 

2.3. Формальное описание тепловых процессов

 

В инженерной практике для описания тепловых процессов используется закон сохранения энергии в форме, так называемого баланса энергии (работы):

DА = DЕ_ВН + DЕ_ПОВ,

где    DА = Р₀Dt, Р₀ – расходуемая мощность, Вт;

Dt – временной интервал, с;

DЕ_ВН = сDТ;

с – общая теплоемкость тела, Дж/К;

DТ – изменение температуры, К;

DЕ_ПОВ = k_ТS₀(T – Т₀)Dt;

k_Т – коэффициент теплоотдачи, Дж/(м²К);

S₀ – площадь поверхности теплоотдачи, м²;

Т – текущее значение температуры, К;

Т₀ – температура окружающей среды, К.

 

В дифференциальной форме баланс энергии запишется как:

 

P₀dt = cdT + k_TS₀(T–T₀)dt,      (3)

 

Обозначив T–T₀ = Q и принимая постоянными с и k_Т имеем:

 

P₀ = k_TS₀Q + cdQ/dt.               (4).

 

Для решения этого дифференциального уравнения преобразуем его к виду (P₀ = P₀Q/Q_СТ)dt = cdQ, при этом учитывается, что k_T – величина неизменная во всем диапазоне температур, а из (4) следует для стационарного установившегося состояния k_T = P₀/S₀. Тогда

 

dt = cdQ/P₀ = P₀Q/Q_СТ = cQ_СТdQ/P₀(Q_СТ – Q) = cQ_СТ/P₀dQ/(Q_СТ – Q).

 

Обозначив cdQ/P₀ = t, и после интегрирования, имеем t = С₁ –. Если в начальный момент времени t = 0 тело имеет некоторую температуру, то при этом Q = Q₀, откуда c₁ = tln(Q_СТ – Q₀). После подстановки постоянной интегрирования С₁, получим

 

t = tln[(Q_СТ – Q₀)/(Q_СТ – Q₀)], (5)

 

откуда в явном виде зависимость превышения температуры от времени

 

Q = Q₀ + (Q_СТ – Q₀)[1 – exp(–t/t)]    (6)

 

В идеальном случае, когда начальная температура тела равна нулю уравнение (6) приобретает вид

 

Q = Q_СТ[1 – exp(–t/t)].

 

Характер изменения температуры в тепловых процессах, таким образом, подчиняется экспоненциальному закону и, если Q₁(0) < Q_СТ, то происходит рост температуры (нагрев тела), а если Q₂ < Q_СТ, то происходит снижение температуры (охлаждение тела). В обоих случаях стационарное состояние достигается с некоторой степенью вероятности, так как согласно (6) полное стационарное состояние может быть достигнуто лишь при t Þ ¥ (рис.2.) .

 

 

Рис.2. Процессы нагрева (1) и охлаждения (2) при одинаковом установившемся (стационарном) превышении температуры

 

Величина t присутствует в уравнениях (5) и (6), называется постоянной времени процесса. Очевидно, что чем больше t, тем больше времени необходимо для того, чтобы тело нагрелось или остыло до нужной температуры. Графическая постоянная времени определяется как отрезок времени (интервал), полученный от пересече­ния касательной к кривой теплового процесса в начальной точке и стационарного значения температуры.

 

2.4. Практическое определение постоянной времени теплового процесса

 

С достоверностью, приемлемой для практических целей, постоянную времени можно определить несколькими способами.

В том случае, когда имеется экспериментальная временная зависимость температуры, полностью описывающая процесс нагрева или охлаждения, постоянную времени определяют как t = Dt/З, где Dt – время от начала процесса до момента, когда температура достигает 95…98 % от установившегося значения.

Если имеется лишь некоторый участок экспериментальной кривой теплового процесса, то для определения его постоянной времени целесообразно применять графоаналитический метод. Для этого используется уравнение (6)

 

Q = Q_СТ – Q_СТ exp(–t/t) и      

 

Q’ = Q_СТ exp(–t/t), откуда

 

Q_СТ – Q = tQ’.

 

Последнее выражение – уравнение прямой в координатах Q и Q’, которая проходит через точки Q = Q_стац на оси Q и (Q_стац/t) на оси Q’.

Практически это построение производится следующим образом. Экспериментальный участок кривой разбивается на равные интервалы по времени с таким расчетом, чтобы интервалов было не менее 5 (рис.3).

 

 

Рис.3. Определение установившегося (стационарного) превышения температуры Q_СТ и постоянной времени нагрева t по экспериментальным данным

 

Для каждого i-го вычисления разности DQ_i и Dt_i. Определив их отношение у = DQ_i/Dt_i и соотнеся полученные значения с серединой участка, то есть со значением Q_i, равным среднему арифметическому значению Q на концах интервала, отыскиваются точки в левом квадранте, где по оси абсцисс откладываются в выбранном масштабе значения у₁. Проведя прямую через эти точки, находятся точки ее пересечения с осями Q и Q’. Эти точки есть соответственно значения Q_стац и Q_стац/t.

 

3. Рабочее задание

 

3.1. Ознакомиться с правилами работы, устройством и особенностями эксплуатации электропечи.

3.2. Изучить основные узлы, их назначение, порядок управления и принципиальную схему печи.

3.3. Изучить методику измерения температуры с помощью термоэлектрического преобразователя.

3.4. Произвести измерения размеров опытного образца, по справочным данным определить коэффициент теплоемкости материала.

3.5. Поместить образец в предварительно разогретую печь и с интервалом в 10…20 секунд фиксировать показание прибора.

3.6. После 10…15 минут прогрева образца вынуть его из печи с помощью клещей, поместив его на теплоизолирующую подставку, продолжить фиксирование показаний прибора (порядком 10…15 измерений).

3.7. По тарировочным характеристикам термопары установить соот­ветствующие значения температуры по показаниям прибора, по температурным значениям построить график изменения превышения температуры (по п.2.4.).

3.8. Определить постоянную времени теплового процесса, установившееся значение превышения температуры. Рассчитать коэффициент теплоотдачи исследуемого образца. Определить КПД лечи.

3.9. Составить отчет по лабораторной работе.

 

4 Оборудование, приборы, материалы

 

 

5. Содержание отчета

 

1. Цель работы.

2. Краткое описание тепловых процессов при печном нагреве.

3. Запись результатов измерений а табличном виде.

4. Диаграмма определения постоянной времени графоаналитическим способом.

5. Результаты расчета КПД печи.

6. Выводы по работе.

 

Вопросы для самопроверки

1. Назовите основные три вида теплопередачи?

2. Чем определяется состояние вещества?

3. Почему взаимосвязь между вероятностью состояния и энергией подчиняется экспоненциальному закону?

4. Что такое абсолютная термодинамическая температура?

5. В каком состоянии вещества на каждую из координат приходится энергия 1/2kТ?

6. Укажите применяющиеся шкалы .тля измерения температуры.

7. Для чего служат муфельные печи?

8. Сформулируйте баланс энергии теплового процесса.

 

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

 

1. Перед началом работы необходимо проверить наружным осмотром исправность приборов и изоляции токоведущих частей.

2. Не допускается выполнять сборку системы под напряжением.

3. Запрещается работать на неисправных приборах, при нарушении изоляции токоведущих частей.

4. Запрещаемся оставлять схему, включенную даже при кратковременном уходе.

 

Составители:

доктор техн. наук          Вячеслав Андреевич Ленивкин

канд. техн. наук             Владимир Михайлович Евченко

доктор техн. наук          Евгений Львович Стрижаков